Atomai pasiekė rekordinę temperatūrą, žemesnę nei absoliutus nulis

Manoma, kad absoliutus nulis yra žemiausia įmanoma temperatūra. Tačiau mokslininkai pademonstravo galintys pasiekti dar žemesnę temperatūrą, priklausančią keistai „neigiamos absoliučios temperatūros sričiai“.

Anot tyrėjų, kitas būdas žvelgti į šias neigiamas absoliučias temperatūras – laikyti jas karštesnėmis nei begalybė.

Šis neįprastas pasiekimas gali pasitarnauti kuriant naujus variklius, kurie galėtų būti 100 proc. našesni, ir padėti įminti tamsiosios energijos, medžiagos, skatinančios visatos plėtimąsi, paslaptis.

Objekto temperatūra nusako, kiek jo atomai juda. Kuo objektas šaltesnis, tuo lėtesni atomai. Esant fiziškai neįmanomai pasiekti nulio kelvinų temperatūrai (minus 273,15 laipsnių Celsijaus), atomai visiškai nustotų judėti. Dėl šios priežasties niekas negali būti šaltesnis už absoliutų nulį Kelvino skalėje.

Norint suvokti neigiamą absoliučią temperatūrą, kurias mokslininkai dabar surado, apie temperatūrą reiktų galvoti kaip apie skalę, kuri yra ne linijinė, o kilpinė. Vieną kilpos dalį sudaro teigiamos temperatūros, o kitą – neigiamos. Kai teigiamoje dalyje temperatūros nukrenta žemiau nulio ar pakyla aukščiau begalybės, jos atsiduria neigiamoje teritorijoje.

Esant teigiamoms temperatūroms, atomai dažniausiai yra žemos, o ne aukštos energijos būsenose. Tai fizikoje vadinama Boltzmanno pasiskirstymu. Kai atomas įkaitinamas, jo atomai gali pasiekti aukštesnius energijos lygius.

Esant absoliučiam nuliui, atomai būtų žemiausios energijos būsenoje. Esant begalinei temperatūrai, atomai turėtų užimti visas energijos būsenas. Neigiamos temperatūros tuomet yra teigiamų temperatūrų priešingybė – labiau tikėtina, kad atomai bus didelės energijos, o ne žemos energijos būsenoje.

„Atvirkštinis Boltzmanno pasiskirstymas yra neigiamos absoliutinės temperatūros ženklas, būtent tai mes ir pasiekėme. Tačiau dujos nėra šaltesnės nei nulis kelvinų, bet karštesnės. Jos net karštesnės nei bet kokia teigiama temperatūra – temperatūros skalė paprasčiausiai nesibaigia ties begalybe, o peršoka į neigiamas reikšmes“, – aiškino fizikas Ulrichas Schneideris iš Miuncheno universiteto Vokietijoje.

Kaip ir galima tikėtis, neigiamos temperatūros objektai elgiasi labai keistai. Pavyzdžiui, energija paprastai teka iš objektų, kurių teigiama temperatūra aukštesnė, į tuos, kurių teigiama temperatūra mažesnė, tai yra, karštesni objektai sušildo vėsesnius, o vėsesni atvėsina karštesnius, kol jų temperatūra susilygina. Tačiau energija visuomet tekės iš objektų, kurių temperatūra neigiama, į tuos, kurių temperatūra teigiama. Šiuo požiūriu, objektai, kurių temperatūra neigiama, visuomet karštesni nei tie, kurių temperatūra teigiama.

Dar viena keista neigiamų temperatūrų pasekmė susijusi su entropija, kuri rodo, kiek netvarkinga yra sistema. Kai teigiamos temperatūros objektai išskiria energiją, jie padidina aplink juos esančių objektų entropiją, tad jie pradeda elgtis chaotiškiau. Tačiau kai neigiamos temperatūros objektai išskiria energiją, jie gali entropiją sugerti.

Neigiamos absoliučios temperatūros turėtų būti neįmanomos, nes kaip teigia dabartinės teorijos, nėra viršutinės ribos, kiek energijos atomai gali turėti (egzistuoja ribos, kokiu greičiu jie gali keliauti – anot A. Einsteino reliatyvumo teorijos, niekas negali judėti greičiau nei šviesa).

Norėdami sukurti neigiamą absoliučią temperatūrą, mokslininkai sukūrė sistemą, kur nustatomos ribos, kiek energijos atomai gali turėti. Iš pradžių jie apie 100 tūkst. atomų atšaldė iki teigiamos temperatūros, siekiančios kelis nanokelvinus arba vieną milijardinę kelvino dalį. Atomus jie atšaldė vakuuminiame kambaryje, izoliuotame nuo aplinkos poveikio, kuris galėtų atsitiktinai juos sušildyti. Jie taip pat naudojo lazerių spindulių tinklą ir magnetinius laukus, kad galėtų labai tiksliai kontroliuoti, kaip šie atomai elgiasi.

„Temperatūra, kurią pasiekėme, yra neigiamas nanokelvinas“, – LiveScience.com teigė U. Schneideris.

Temperatūra priklauso nuo to, kiek atomai juda – kiek kinetinės energijos jie turi. Lazerio spindulių tinklas sukūrė tobulai išdėstytą ryškių šviesos taškų komplektą. Šioje „optinėje gardelėje“ atomai vis dar galėjo judėti, tačiau jų kinetinė energija buvo apribota.

Temperatūra taip pat priklauso nuo to, kiek potencialios energijos atomai turi, ir kiek energijos slypi atomų tarpusavio sąveikoje. Naudodami optinę gardelę, tyrėjai apribojo ir potencialią atomų energiją, o pasitelkę magnetinius laukus, jie galėjo kontroliuoti atomų sąveiką, paversdami juos arba stumiančiais, arba traukiančiais.

Temperatūra susijusi su slėgiu – kuo karštesnis yra objektas, tuo labiau jis plečiasi, kuo vėsesnis – tuo labiau jis traukiasi. Norėdami užtikrinti, kad dujos bus neigiamos temperatūros, tyrėjai taip pat turėjo jas veikti neigiamu slėgiu, tol reguliuodami atomų sąveikas, kol jie vienas kitą traukė labiau nei stūmė.

„Mes pirmą kartą sukūrėme neigiamų dalelių neigiamą absoliučią temperatūrą“, – teigė Simonas Braunas iš Miuncheno universiteto Vokietijoje.

Neigiamos temperatūros galėtų būti naudojamos kuriant šiluminius variklius, kurie šilumos energiją paverčia mechanine, pavyzdžiui, degimo varikiai. Jie galėtų būti 100 proc. efektyvesni. Iš esmės tokie varikliai ne tik sugertų energiją iš karštesnių, bet ir iš vėsesnių medžiagų. Taigi variklio atliktas darbas būtų didesnis nei energija, paimta vien iš karštesnių medžiagų.

Neigiamos temperatūros taip pat galėtų padėti atskleisi vieną didžiausių mokslo paslapčių. Mokslininkai tikėjosi, kad medžiagos gravitacinė trauka po Didžiojo sprogimo sulėtins visatos plėtimąsi, kol galiausiai jis sustos, o galbūt prasidės ir „Didysis griuvimas“. Tačiau visatos plėtimasis vis spartėja, o kosmologai spėja, kad tai gali būti susiję su tamsiąja energija, medžiaga, užpildančia daugiau kaip 70 proc. kosmoso.

Lygiai taip pat neigiamas šaltų dujų slėgis, kurį tyrėjai sukūrė, turėtų jas suardyti. Tačiau nuo to jas apsaugo neigiamos temperatūros. Tad neigiamos temperatūros gali turėti įdomių analogijų su tamsiąja energija, kuri gali padėti mokslininkams šią mįslę įminti.

Neigiamos temperatūros taip pat galėtų padėti daugiau sužinoti apie egzotiškas medžiagos būsenas, sukurdamos sistemas, kurios paprastai be jų nebūtų stabilios.

„Geriau supratę temperatūras, galėtume aptikti dalykų, apie kuriuos iki šiol net nepagalvojome. Kai kruopščiai ištiri esminius dalykus, niekada nežinai, kur tai gali nuvesti“, – teigė U. Schneideris.